1機(jī)械工業(yè)出版社新能源發(fā)電與控制技術(shù)（第4版）2機(jī)械工業(yè)出版社本書主要內(nèi)容第1章新能源發(fā)電與控制技術(shù)導(dǎo)論

第2章電力變換與控制技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)

第3章風(fēng)能、風(fēng)力發(fā)電與控制技術(shù)

第4章太陽(yáng)能、光伏發(fā)電與控制技術(shù)

第5章氫能及燃料電池發(fā)電與控制技術(shù)

第6章其他形式新能源的發(fā)電技術(shù)

第7章分布式能源與儲(chǔ)能技術(shù)

第8章新能源應(yīng)用技術(shù)3機(jī)械工業(yè)出版社緒論新能源利用包括可再生能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、水能、海洋能）和地?zé)崮堋淠堋⒑四苻D(zhuǎn)換及其利用新技術(shù)（高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)）。

新能源發(fā)電與控制技術(shù)涉及：①利用可再生能源和清潔能源發(fā)電，并持續(xù)獲得二次清潔能源--電能；②對(duì)電能通過(guò)變換與控制，滿足高質(zhì)量的終端能源消費(fèi)需求和電力的高效管理。

4機(jī)械工業(yè)出版社第1章新能源發(fā)電與控制技術(shù)導(dǎo)論5機(jī)械工業(yè)出版社6機(jī)械工業(yè)出版社1.1能源儲(chǔ)備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.2能源的分類與基本特征

1.3新能源發(fā)電與儲(chǔ)能及應(yīng)用技術(shù)

1.4新能源發(fā)電的主要控制技術(shù)1.5新能源技術(shù)的主要應(yīng)用概要

本章主要內(nèi)容7機(jī)械工業(yè)出版社1.1能源儲(chǔ)備與可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略

1.1.1我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)備

1.我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)

我國(guó)是一個(gè)能源大國(guó)，在能源結(jié)構(gòu)中煤炭?jī)?chǔ)量最為豐富，已探明的煤炭保有儲(chǔ)量超過(guò)1萬(wàn)億t，可采儲(chǔ)量在1800億t以上，位居世界第4。

但是，中國(guó)又是一個(gè)能源貧國(guó)，中國(guó)的人均能源資源占有量為全世界人均水平的1/2，僅為美國(guó)人均水平的1/10。8機(jī)械工業(yè)出版社9機(jī)械工業(yè)出版社

煤多油少是中國(guó)能源儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)到今后20年，甚至到本世紀(jì)中葉，我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)將不會(huì)改變。

在能源生產(chǎn)與消費(fèi)中，以煤炭為主要能源直接進(jìn)行燃燒，因燃燒工藝落后，燃燒不充分，造成環(huán)境污染嚴(yán)重、效率低下、浪費(fèi)驚人。10機(jī)械工業(yè)出版社2.我國(guó)的資源和能源儲(chǔ)備

我國(guó)對(duì)能源的開(kāi)發(fā)利用已達(dá)到相當(dāng)高的強(qiáng)度，但能源利用效率的低下。我國(guó)能源利用效率僅為30%左右，比發(fā)達(dá)國(guó)家低近10個(gè)百分點(diǎn)。中國(guó)能源短缺在很大程度上是能源利用結(jié)構(gòu)同資源稟賦結(jié)構(gòu)矛盾的表現(xiàn)。煤電油供需矛盾相當(dāng)突出。建立高度節(jié)約型的循環(huán)經(jīng)濟(jì)體制，深入研究、大力開(kāi)發(fā)和利用新能源，是中國(guó)實(shí)現(xiàn)和平崛起的唯一選擇。11機(jī)械工業(yè)出版社中國(guó)一次能源歷年消費(fèi)結(jié)構(gòu)（2005-2019）12機(jī)械工業(yè)出版社中國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)（2015）世界能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)（2015）13機(jī)械工業(yè)出版社2007-2019年我國(guó)一次能源消費(fèi)總量及同比增速（單位：億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，%）14機(jī)械工業(yè)出版社2018-2019年我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)（單位：%）15機(jī)械工業(yè)出版社2014-2019年我國(guó)清潔能源在能源消費(fèi)中的比重（單位：%）16機(jī)械工業(yè)出版社2019年我國(guó)發(fā)電量結(jié)構(gòu)（單位：億千瓦時(shí)，%）17機(jī)械工業(yè)出版社2014-2019年我國(guó)原油、煤炭、天然氣進(jìn)口情況（單位：億噸）以上數(shù)據(jù)及分析請(qǐng)參考于前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《中國(guó)綠色能源（清潔能源）產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前瞻報(bào)告》18機(jī)械工業(yè)出版社2014-2019年我國(guó)單位GDP能耗變化情況（單位：噸標(biāo)準(zhǔn)煤/萬(wàn)元，%）19機(jī)械工業(yè)出版社2011-2020年我國(guó)發(fā)電量與增長(zhǎng)率20機(jī)械工業(yè)出版社2011-2020年我國(guó)發(fā)電量結(jié)構(gòu)（單位：億千瓦時(shí)）21機(jī)械工業(yè)出版社2020年，可再生能源發(fā)電量達(dá)到2.2萬(wàn)億千瓦時(shí)，占全社會(huì)用電量的比重達(dá)到29.5%，較2012年增長(zhǎng)9.5個(gè)百分點(diǎn)。全國(guó)全口徑非化石能源發(fā)電量2.58萬(wàn)億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)7.9%，占全國(guó)全口徑發(fā)電量的比重為33.9%，同比提高1.2個(gè)百分點(diǎn)，非化石能源電力供應(yīng)能力持續(xù)增強(qiáng)。2011-2020年我國(guó)發(fā)電量結(jié)構(gòu)22機(jī)械工業(yè)出版社2011-2020年我國(guó)電力裝機(jī)總量（單位：萬(wàn)千瓦時(shí)）23機(jī)械工業(yè)出版社2011-2020年我國(guó)電力裝機(jī)總量（單位：萬(wàn)千瓦時(shí)）24機(jī)械工業(yè)出版社截至2020年底，全國(guó)全口徑發(fā)電裝機(jī)容量22億千瓦，同比增長(zhǎng)9.5%，增幅較上年提升3.7個(gè)百分點(diǎn)。2020年，全國(guó)新增發(fā)電裝機(jī)容量19087萬(wàn)千瓦，同比增加8587萬(wàn)千瓦，增速大幅提升。近十年來(lái)，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)保持增長(zhǎng)趨勢(shì)。2011～2020年，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)累計(jì)容量從10.62億千瓦增長(zhǎng)到22億千瓦。2015年后，我國(guó)裝機(jī)增速呈下降趨勢(shì)，至2020年陡然回升，最主要原因是風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電等新能源新增裝機(jī)創(chuàng)歷史新高。2011-2020年我國(guó)電力裝機(jī)總量25機(jī)械工業(yè)出版社2011-2020年我國(guó)電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)（單位：萬(wàn)千瓦時(shí)）26機(jī)械工業(yè)出版社2011-2020年我國(guó)電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)（單位：萬(wàn)千瓦時(shí)）從裝機(jī)增速看，2020年，火電裝機(jī)同比增長(zhǎng)4.7%，較上年增速高出0.7個(gè)百分點(diǎn)。風(fēng)電裝機(jī)同比增長(zhǎng)34.6%，較上年增速提升21個(gè)百分點(diǎn)。太陽(yáng)能發(fā)電以24.1%的速度增長(zhǎng)，較上年增速高出7個(gè)百分點(diǎn)。核電增速收縮，降低6.7個(gè)百分點(diǎn)。水電裝機(jī)低速緩增，同比增長(zhǎng)3.4%。27機(jī)械工業(yè)出版社2011-2020年我國(guó)電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)截至2020年底，全國(guó)全口徑火電裝機(jī)容量12.5億千瓦、水電3.7億千瓦、核電4989萬(wàn)千瓦、并網(wǎng)風(fēng)電2.8億千瓦、并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)2.5億千瓦、生物質(zhì)發(fā)電2952萬(wàn)千瓦。全國(guó)全口徑非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量合計(jì)9.8億千瓦，占總發(fā)電裝機(jī)容量的比重為44.8%，比上年提高2.8個(gè)百分點(diǎn)。煤電裝機(jī)容量10.8億千瓦，占比為49.1%，首次降至50%以下。從裝機(jī)增速看，2020年，火電裝機(jī)同比增長(zhǎng)4.7%，較上年增速高出0.7個(gè)百分點(diǎn)。風(fēng)電裝機(jī)同比增長(zhǎng)34.6%，較上年增速提升21個(gè)百分點(diǎn)。太陽(yáng)能發(fā)電以24.1%的速度增長(zhǎng)，較上年增速高出7個(gè)百分點(diǎn)。核電增速收縮，降低6.7個(gè)百分點(diǎn)。水電裝機(jī)低速緩增，同比增長(zhǎng)3.4%。28機(jī)械工業(yè)出版社2011-2020年我國(guó)電力裝機(jī)結(jié)構(gòu)從電源結(jié)構(gòu)看，十年來(lái)我國(guó)傳統(tǒng)化石能源發(fā)電裝機(jī)比重持續(xù)下降、新能源裝機(jī)比重明顯上升。2020年火電裝機(jī)比重較2011年下降了15.7個(gè)百分點(diǎn)，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)比重上升了近20個(gè)百分點(diǎn)，發(fā)電裝機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化。水電、風(fēng)電、光伏、在建核電裝機(jī)規(guī)模等多項(xiàng)指標(biāo)保持世界第一。2021年4月，我國(guó)在領(lǐng)導(dǎo)人氣候峰會(huì)上承諾，“中國(guó)將嚴(yán)控煤電項(xiàng)目，‘十四五’時(shí)期嚴(yán)控煤炭消費(fèi)增長(zhǎng)、‘十五五’時(shí)期逐步減少。”電力行業(yè)將加速低碳轉(zhuǎn)型，發(fā)揮煤電保底的支撐作用，同時(shí)，要繼續(xù)推進(jìn)機(jī)組靈活性改造，加快煤電向電量和電力調(diào)節(jié)型電源轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)煤電盡早達(dá)峰并在總量上盡快下降。29機(jī)械工業(yè)出版社2011-2020年我國(guó)各類發(fā)電新增裝機(jī)情況（單位：萬(wàn)千瓦時(shí)）30機(jī)械工業(yè)出版社2011-2020年我國(guó)各類發(fā)電新增裝機(jī)情況2020年，全國(guó)電源新增發(fā)電裝機(jī)容量19087萬(wàn)千瓦，比上年多投產(chǎn)8587萬(wàn)千瓦，同比增速81.8%。從各類電源新增裝機(jī)規(guī)模看，2020年，新增火電裝機(jī)5637萬(wàn)千瓦，自2015年以來(lái)，新增裝機(jī)容量首次回升，較上年多投產(chǎn)1214萬(wàn)千瓦。新增并網(wǎng)風(fēng)電和太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量分別為7167萬(wàn)千瓦和4820萬(wàn)千瓦，分別比上年多投產(chǎn)4595萬(wàn)千瓦和2168萬(wàn)千瓦，新增并網(wǎng)風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模創(chuàng)新高。新增水電和核電裝機(jī)分別1323、112萬(wàn)千瓦。新增生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)543萬(wàn)千瓦。31機(jī)械工業(yè)出版社2015，2020年我國(guó)各類發(fā)電新增裝機(jī)情況（單位：萬(wàn)千瓦時(shí)）32機(jī)械工業(yè)出版社2011-2020年我國(guó)各類發(fā)電新增裝機(jī)情況2020年，新增發(fā)電裝機(jī)以新能源為增量主體。并網(wǎng)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電新增裝機(jī)合計(jì)11987萬(wàn)千瓦，超過(guò)上年新增裝機(jī)總規(guī)模，占2020年新增發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康?2.8%，連續(xù)四年成為新增發(fā)電裝機(jī)的主力。2020年包括煤電、氣電、生物質(zhì)發(fā)電在內(nèi)的火電新增裝機(jī)占全部新增裝機(jī)的29.53%，與2015年相比降低21個(gè)百分點(diǎn)；水電新增裝機(jī)占比為6.93%。到“十四五”末，預(yù)計(jì)可再生能源發(fā)電裝機(jī)占我國(guó)電力總裝機(jī)的比例將超過(guò)50%。可再生能源在全社會(huì)用電量增量中的占比將達(dá)到三分之二左右，在一次能源消費(fèi)增量中的占比將超過(guò)50%，可再生能源將從原來(lái)能源電力消費(fèi)的增量補(bǔ)充，變?yōu)槟茉措娏οM(fèi)的增量主體。以上數(shù)據(jù)來(lái)源于中電聯(lián)歷年《中國(guó)電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告》33機(jī)械工業(yè)出版社1.1.2我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略2014-2020年期間，我國(guó)能源發(fā)展成就巨大：GDP由64.36萬(wàn)億元增加到101.60萬(wàn)億元。對(duì)應(yīng)一次能源消費(fèi)總量由42.83億噸標(biāo)準(zhǔn)煤增加到49.80億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。低于同期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)速度的1/3。這些成就為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。34機(jī)械工業(yè)出版社

2020年9月，我國(guó)在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上明確提出2030年碳達(dá)峰和2060年碳中和目標(biāo)。2021年10月，中共中央、國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》，要求大力發(fā)展風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿龋粩嗵岣叻腔茉聪M(fèi)比重。35機(jī)械工業(yè)出版社堅(jiān)持集中式與分布式并舉，優(yōu)先推動(dòng)風(fēng)能、太陽(yáng)能就地就近開(kāi)發(fā)利用；因地制宜開(kāi)發(fā)水能；積極安全有序發(fā)展核電；合理利用生物質(zhì)能；加快推進(jìn)抽水蓄能和新型儲(chǔ)能規(guī)模化應(yīng)用；統(tǒng)籌推進(jìn)氫能“制儲(chǔ)輸用”全鏈條發(fā)展；構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，提高電網(wǎng)對(duì)高比例可再生能源的消納和調(diào)控能力。36機(jī)械工業(yè)出版社風(fēng)力發(fā)電37機(jī)械工業(yè)出版社生物質(zhì)能發(fā)電38機(jī)械工業(yè)出版社光伏發(fā)電39機(jī)械工業(yè)出版社水力發(fā)電40機(jī)械工業(yè)出版社地?zé)岚l(fā)電41機(jī)械工業(yè)出版社燃料電池汽車42機(jī)械工業(yè)出版社1.2能源的分類與基本特征1.2.1能源的分類1.能源

能源是可以直接或通過(guò)轉(zhuǎn)換提供給人類所需的有用能的資源。

世界上一切形式能源的初始來(lái)源是核聚變、核裂變、放射線源以及太陽(yáng)系行星的運(yùn)行。2.能源的分類

“世界能源理事會(huì)(WorldEnergyCouncil–WEC)”推薦的能源分類如下：固體燃料；液體燃料；氣體燃料；水力；核能；電能；太陽(yáng)能；生物質(zhì)能；風(fēng)能；海洋能；地?zé)崮埽缓司圩兡堋Ｄ茉催€可分為：一次能源，二次能源和終端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常規(guī)能源；商品能源和非商品能源等。

43機(jī)械工業(yè)出版社1.2.2能源的基本特征一次能源:指直接取自自然界未經(jīng)加工與轉(zhuǎn)換的各種能量和資源。一次能源可再生能源非再生能源

可再生能源應(yīng)是清潔能源或綠色能源，它包括：太陽(yáng)能、水力、風(fēng)力、生物質(zhì)能、波浪能、潮汐能、海洋溫差能等等；是可以循環(huán)再生、取之不盡、用之不竭的初級(jí)資源。

包括：原煤、原油、天然氣、油頁(yè)巖、核能等，它們是不能再生的，用掉一點(diǎn)，便少一點(diǎn)。

44機(jī)械工業(yè)出版社二次能源:是指由一次能源經(jīng)加工轉(zhuǎn)換后得到的能源產(chǎn)品。例如：電力、蒸汽、煤氣、汽油、柴油、重油、液化石油氣、酒精、沼氣、氫氣和焦炭等等。二次能源是聯(lián)系一次能源和能源終端用戶的中間紐帶。根據(jù)能量表現(xiàn)形式又可分為“過(guò)程性能源”和“含能體能源”。含能體能源：指包含能量的物質(zhì)。如化石燃料、草木燃料、核燃料等。這類含能體可以直接儲(chǔ)存運(yùn)送。過(guò)程性能源：指能量比較集中的物質(zhì)在流動(dòng)（運(yùn)動(dòng)）過(guò)程中產(chǎn)生的能量，或稱能量過(guò)程。如流水、海流、潮汐、風(fēng)、地震、直接的太陽(yáng)輻射、電能等。過(guò)程性能源和含能體能源是不能互相替代的，有各自的表現(xiàn)形式與應(yīng)用范圍。

如：電能如：柴油、汽油45機(jī)械工業(yè)出版社終端能源指供給社會(huì)生產(chǎn)、非生產(chǎn)和生活中直接用于消費(fèi)的各種能源。常規(guī)能源又稱傳統(tǒng)能源。已經(jīng)大規(guī)模開(kāi)采和廣泛利用的煤炭、石油、天然氣、水能等能源屬于常規(guī)能源。商品能源是作為商品經(jīng)流通環(huán)節(jié)大量消費(fèi)的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然氣、水電和核電5種。非商品能源主要指枯柴、秸稈等農(nóng)業(yè)廢料、人畜糞便等就地利用的能源。非商品能源在發(fā)展中國(guó)家農(nóng)村地區(qū)的能源供應(yīng)中占有很大比重。46機(jī)械工業(yè)出版社1.2.3新能源及主要特征新能源：技術(shù)上可行；經(jīng)濟(jì)上合理；環(huán)境和社會(huì)可以接受；能確保供應(yīng)和替代常規(guī)化石能源的可持續(xù)發(fā)展能源體系。包含兩方面：新能源體系：可再生能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、水能、海洋能)和地?zé)崮堋淠堋⒑四埽恍履茉蠢眉夹g(shù)：高效利用能源、資源綜合利用、替代能源、節(jié)能等新技術(shù)。47機(jī)械工業(yè)出版社“新”與“舊”的區(qū)別“新”與傳統(tǒng)的“舊”

能源利用方式和能源系統(tǒng)相對(duì)立。“舊”：以化石燃料為主的傳統(tǒng)能源利用形態(tài)；只強(qiáng)調(diào)轉(zhuǎn)換端效率，不注重能源需求側(cè)的綜合利用效率；只強(qiáng)調(diào)經(jīng)濟(jì)效益，不注重資源、環(huán)境代價(jià)的傳統(tǒng)能源利用理念。“新”：①高效利用能源；②資源綜合利用；③可再生能源；④替代能源；⑤節(jié)能。

48機(jī)械工業(yè)出版社1.3.1我國(guó)新能源發(fā)電的現(xiàn)狀

太陽(yáng)能發(fā)電——2020年，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量253GW，已連續(xù)6年位居全球首位，當(dāng)年發(fā)電量達(dá)2605億kW?h，占我國(guó)全年總發(fā)電量的3.5%。風(fēng)能發(fā)電——2009年至2020年，我國(guó)每年新增風(fēng)電裝機(jī)容量連續(xù)12年居全球首位。2020年，我國(guó)新增裝機(jī)容量52,000MW。截至2021年11月14日，我國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到

300,150MW。地?zé)崮馨l(fā)電——我國(guó)地源熱泵裝機(jī)容量達(dá)2萬(wàn)MW，年利用淺層地?zé)崮苷酆?900多萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，實(shí)現(xiàn)供暖（制冷）建筑面積超過(guò)5億平方米。我國(guó)地?zé)岚l(fā)電站裝機(jī)容量約53MW，主要分布于西部地區(qū)。生物質(zhì)能發(fā)電——截至2021年7月底，全國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)3409萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)31.2%；截至該年10月底，我國(guó)生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)容量連續(xù)四年位居世界第一。1.3新能源發(fā)電與儲(chǔ)能及應(yīng)用技術(shù)49機(jī)械工業(yè)出版社燃料電池發(fā)電——燃料電池自上世紀(jì)90年代中期以來(lái)，我國(guó)在燃料電池研究方面取得了較大的進(jìn)展。十三五初期又提升對(duì)燃料電池的補(bǔ)貼，并持續(xù)到2020年不進(jìn)行退坡，相比鋰電池電動(dòng)車面臨20%的退坡，顯示出發(fā)展燃料電池車的決心。小水利發(fā)電——截至2015年，全國(guó)建成農(nóng)村小水電站4.7萬(wàn)座，總裝機(jī)超過(guò)7500萬(wàn)kW，相當(dāng)于3個(gè)三峽電站的裝機(jī)容量。核能發(fā)電——截至2021年12月31日，我國(guó)運(yùn)行核電機(jī)組共53臺(tái)（不含臺(tái)灣地區(qū)），額定裝機(jī)容量為54646.95MW，全國(guó)運(yùn)行核電機(jī)組累計(jì)發(fā)電量為4071.41億kW·h。到2025年，我國(guó)核電在運(yùn)裝機(jī)7000萬(wàn)kW左右；到2030年，核電在運(yùn)裝機(jī)容量達(dá)1.2億kW，核電發(fā)電量約占全國(guó)發(fā)電量的8%。

開(kāi)發(fā)時(shí)序預(yù)期為：2000－2020年重點(diǎn)開(kāi)發(fā)先進(jìn)核反應(yīng)堆技術(shù)；2020－2030年重點(diǎn)開(kāi)發(fā)快中子堆技術(shù)；

2030－2040年重點(diǎn)開(kāi)發(fā)加速器驅(qū)動(dòng)亞1臨界系統(tǒng)；

2040－2050年重點(diǎn)開(kāi)發(fā)受控核聚變技術(shù)。

50機(jī)械工業(yè)出版社異步交直交并網(wǎng)發(fā)電荷蘭WES5-2.5KW51機(jī)械工業(yè)出版社1.3.2分布式能源及主要特征1.分布式能源

國(guó)際分布式能源聯(lián)盟（WADE）對(duì)“分布式能源”給出的定義是：發(fā)電系統(tǒng)能夠在消費(fèi)地點(diǎn)或很近的地方發(fā)電，并具有：①高效的利用發(fā)電產(chǎn)生的廢能生產(chǎn)熱和電；②現(xiàn)場(chǎng)端的可再生能源系統(tǒng)；③包括利用現(xiàn)場(chǎng)廢氣、廢熱以及多余壓差來(lái)發(fā)電的能源循環(huán)利用系統(tǒng)。

這些系統(tǒng)就稱為分布式能源系統(tǒng)，而不考慮這些項(xiàng)目的規(guī)模、燃料或技術(shù)，及該系統(tǒng)是否聯(lián)接電網(wǎng)等條件。

52機(jī)械工業(yè)出版社國(guó)際公認(rèn)的兩個(gè)具有發(fā)展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃?xì)鈾C(jī)發(fā)電機(jī)組，這是實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、高效利用能源和節(jié)能的最主要形式；“燃料電池”技術(shù)，這也是未來(lái)最主要的分布式能源利用技術(shù)方向之一。

高效燃料電池53機(jī)械工業(yè)出版社微型燃?xì)廨啓C(jī)54機(jī)械工業(yè)出版社2.分布式能源主要特征

(1)高效性(2)環(huán)保性(3)能源利用的多樣性(4)調(diào)峰作用(5)安全性和可靠性(6)減少國(guó)家輸配電投資(7)解決邊遠(yuǎn)地區(qū)供電55機(jī)械工業(yè)出版社分布式能源的示意圖56機(jī)械工業(yè)出版社1.3.3儲(chǔ)能技術(shù)及其主要形式

近年來(lái)，分布式發(fā)電并網(wǎng)需求大大增加。為了在靈活調(diào)節(jié)電能的基礎(chǔ)上，使分布式發(fā)電對(duì)電力系統(tǒng)具有容量支持、調(diào)峰調(diào)頻、提高供電質(zhì)量、提供安全保障等功能，儲(chǔ)能系統(tǒng)不斷研發(fā)、示范并投入商業(yè)化使用，而儲(chǔ)能技術(shù)成為了能源革命的支撐技術(shù)之一。儲(chǔ)能技術(shù)可分為物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和混合儲(chǔ)能。

物理儲(chǔ)能包括抽水蓄能、飛輪儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能。

電化學(xué)儲(chǔ)能包括各類電池儲(chǔ)能。

電磁儲(chǔ)能包括超級(jí)電容器儲(chǔ)能和超導(dǎo)儲(chǔ)能。

混合儲(chǔ)能有氫熱儲(chǔ)能、水蓄熱儲(chǔ)能、熔融鹽儲(chǔ)能、相變儲(chǔ)能、電轉(zhuǎn)氣地質(zhì)儲(chǔ)能等。57機(jī)械工業(yè)出版社抽水蓄能是最傳統(tǒng)最成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，其在電力負(fù)荷低谷時(shí)向上抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰時(shí)下放水至下水庫(kù)，將水下降時(shí)釋放的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為電能使用。2020年我國(guó)已投運(yùn)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)中，抽水蓄能占比高達(dá)90.3%，且發(fā)展勢(shì)頭不減。飛輪儲(chǔ)能指將電能轉(zhuǎn)化為飛輪高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能儲(chǔ)存，在需要時(shí)利用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。壓縮空氣儲(chǔ)能通過(guò)廢棄的洞穴（如鹽穴）或大容量的存儲(chǔ)罐，利用壓縮機(jī)將棄光、棄風(fēng)、低谷電等電能轉(zhuǎn)換為壓力勢(shì)能或熱能儲(chǔ)存，在需要用電時(shí)通過(guò)膨脹機(jī)釋放給發(fā)電機(jī)組。電池儲(chǔ)能包括鋰離子電池、鉛酸電池、鈉硫電池和液流電池，在新能源（如光伏）并網(wǎng)上提供了幫助。58機(jī)械工業(yè)出版社1.3.4新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電經(jīng)歷了從獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)到并網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)已成為發(fā)達(dá)國(guó)家風(fēng)電發(fā)展的主要形式。目前研發(fā)重點(diǎn)大型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)與現(xiàn)有電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)；繼續(xù)開(kāi)發(fā)可靠的風(fēng)力預(yù)報(bào)方法；開(kāi)展與風(fēng)能開(kāi)發(fā)相配套的生態(tài)影響研究；發(fā)展海上風(fēng)力發(fā)電等。

59機(jī)械工業(yè)出版社海上風(fēng)力發(fā)電60機(jī)械工業(yè)出版社太陽(yáng)能發(fā)電傳統(tǒng)市場(chǎng)如日本、美國(guó)、歐洲等依然保持強(qiáng)勁發(fā)展勢(shì)頭，新興市場(chǎng)如印度，東南亞等國(guó)不斷涌現(xiàn)。美國(guó)是世界上太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)研究開(kāi)發(fā)較早的國(guó)家，在太陽(yáng)能槽式發(fā)電系統(tǒng)和盤式發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)展較快。目前，在世界范圍內(nèi)已建成數(shù)百個(gè)MW級(jí)的聯(lián)網(wǎng)光伏電站。美國(guó)最大太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目——“太陽(yáng)能之星”61機(jī)械工業(yè)出版社家用光伏發(fā)電62機(jī)械工業(yè)出版社燃料電池發(fā)電燃料電池是一種無(wú)污染的能源，主要用途包括：固定地點(diǎn)發(fā)電、提供居民住宅用電、交通運(yùn)輸、便攜電源、垃圾與污水處理。美國(guó)每年投資數(shù)億元開(kāi)發(fā)燃料電池，掌握了許多最先進(jìn)的技術(shù)。

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

燃料電池汽車63機(jī)械工業(yè)出版社燃料電池汽車組成框圖64機(jī)械工業(yè)出版社生物質(zhì)發(fā)電

全球每年植物所固定的生物質(zhì)能相當(dāng)于10.2萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于全世界每年耗能（87億噸標(biāo)準(zhǔn)煤）1172倍。巴西以甘蔗為原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工農(nóng)業(yè)中廣泛使用。我國(guó)每年可利用的生物質(zhì)能總量約合7億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，但目前開(kāi)發(fā)極少。

生物質(zhì)發(fā)電示意圖秸稈發(fā)電廠65機(jī)械工業(yè)出版社核能發(fā)電

又稱原子能，包括裂變能和聚變能兩種主要形式。核裂變主要應(yīng)用于核能發(fā)電，技術(shù)應(yīng)用比較成熟。核聚變則有幾大優(yōu)點(diǎn)：安全、無(wú)污染、高效，核能中聚變能是一種無(wú)限、清潔、安全的理想能源。

俄羅斯懸浮核能發(fā)電廠

核能發(fā)電廠水蒸氣66機(jī)械工業(yè)出版社燃?xì)獍l(fā)電根據(jù)用戶用能性質(zhì)、資源配置等不同情況，由燃?xì)夤芫W(wǎng)將天然氣、煤層氣、地下氣化氣、生物沼氣等一切可以利用的資源就近送達(dá)用戶。由小型燃機(jī)、微型燃機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、外燃機(jī)等各種傳統(tǒng)的和新型發(fā)電裝置組成熱電聯(lián)產(chǎn)或分布式能源供給系統(tǒng)。

距尼日利亞拉各斯70余公里的帕帕蘭多燃?xì)怆娬疽唤恰Ｅ僚撂m多燃?xì)怆娬镜?臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組都是由中國(guó)制造。總裝機(jī)容量為33.6萬(wàn)千瓦。

67機(jī)械工業(yè)出版社氫能發(fā)電

指利用氫氣和氧氣燃燒，組成氫氧發(fā)電機(jī)組。這種機(jī)組是火箭型內(nèi)燃發(fā)結(jié)構(gòu)動(dòng)機(jī)配以發(fā)電機(jī)，它不需要復(fù)雜的蒸汽鍋爐系統(tǒng)，因此簡(jiǎn)單，維修方便，啟動(dòng)迅速，要開(kāi)即開(kāi)，欲停即停。更新的氫能發(fā)電方式是氫燃料電池發(fā)電。這是利用氫和氧（成空氣）直接經(jīng)過(guò)電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生電能的裝置。68機(jī)械工業(yè)出版社其他還有小水利發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、海洋能發(fā)電等新能源轉(zhuǎn)換利用。

地?zé)崮馨l(fā)電海洋能—潮汐發(fā)電站69機(jī)械工業(yè)出版社1.4新能源發(fā)電的控制技術(shù)1.4.1電能變換常用的控制方法在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，處于不同的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，需要選擇特定的控制方法或幾種控制方法相結(jié)合的形式，從而滿足逆變系統(tǒng)對(duì)輸出電能質(zhì)量的要求。1.PI控制器：傳統(tǒng)的PI控制是逆變器控制中最為普遍的線性控制方法之一，既有電壓?jiǎn)伍]環(huán)結(jié)構(gòu)，也有電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。2.比例諧振控制器：比例諧振控制由比例和諧振兩個(gè)環(huán)節(jié)所構(gòu)成，PR控制的實(shí)現(xiàn)主要基于內(nèi)模控制原理，通過(guò)在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中加入交流信號(hào)模型，使PR控制器在諧振頻率處獲得無(wú)窮大增益，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)給定交流信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤70機(jī)械工業(yè)出版社3.重復(fù)控制：1981年日本Ionue教授首次提出重復(fù)控制這一概念，其基本思想同樣基于內(nèi)模控制原理，起初常被用于控制重復(fù)性的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，目前研究人員將重復(fù)控制廣泛應(yīng)用于逆變器的數(shù)字控制中。。4.無(wú)差拍控制：Kalman教授在1951年首次提出無(wú)差拍控制，伴隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展和對(duì)無(wú)差拍控制理論的深入研究，使得逆變電源中的無(wú)差拍控制技術(shù)逐步趨于成熟。5.滑模變結(jié)構(gòu)控制：滑模控制方法具有瞬態(tài)性能好、受系統(tǒng)參數(shù)攝動(dòng)和干擾影響小、物理實(shí)現(xiàn)容易和對(duì)系統(tǒng)無(wú)在線辨識(shí)要求的特點(diǎn)，因此無(wú)論是在連續(xù)和離散時(shí)間系統(tǒng)，還是在多輸入多輸出控制系統(tǒng)，滑模控制理論均展現(xiàn)了自身鮮明的優(yōu)點(diǎn)，成為控制工程領(lǐng)域里的重要控制方法之一。71機(jī)械工業(yè)出版社6.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制來(lái)源于近些年神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)科的發(fā)展，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的提升，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)模仿人腦來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行，這種智能控制方式也可以運(yùn)用在電網(wǎng)中。7.模糊控制：模糊控制的原理是將輸入的精確量經(jīng)過(guò)模糊控制系統(tǒng)的處理，輸出為模糊量。模糊推理的方式結(jié)合了歸納、推理、判斷等多種邏輯策略，最終實(shí)現(xiàn)的結(jié)果是，模糊控制能夠根據(jù)實(shí)際情況對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行變動(dòng)，甚至可以任意逼近幾乎所有非線性函數(shù)。72機(jī)械工業(yè)出版社1.4.2新能源發(fā)電控制技術(shù)概要利用電力電子技術(shù)可以將不同形式的新能源轉(zhuǎn)化為電能，四個(gè)基礎(chǔ)變換電路為交流-直流（AC-DC）變換電路、直流-直流（DC-DC）變換電路、直流-交流（DC-AC）變換電路和交流-交流（AC-AC）變換電路。電路中涉及不可控、半控型、全控型電力電子器件。對(duì)于可控的電力電子器件，常用脈寬調(diào)制技術(shù)施加觸發(fā)信號(hào)，使輸出電壓或電流接近期望波形，包括直流PWM控制技術(shù)、正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）控制技術(shù)、空間電壓矢量（SVPWM）控制技術(shù)和電流滯環(huán)跟蹤（CHBPWM）控制技術(shù)。為了提高新能源發(fā)電效率，發(fā)電站的輸出功率通常為有功功率模式，能夠穩(wěn)定輸出有功功率。引入靜止無(wú)功補(bǔ)償器來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電站輸出的無(wú)功功率，能夠有效減小低頻振蕩帶來(lái)的阻力，抑制次同步振蕩，提高電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性。

73機(jī)械工業(yè)出版社1.風(fēng)力發(fā)電的控制技術(shù)風(fēng)力發(fā)電時(shí)，風(fēng)能先通過(guò)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。風(fēng)力機(jī)的控制技術(shù)有四種：變槳距控制技術(shù)、定槳距失速控制技術(shù)、變速控制技術(shù)和主動(dòng)失速/混合失速發(fā)電技術(shù)。對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用恒速恒頻控制或變速恒頻控制。恒速恒頻控制指發(fā)電機(jī)發(fā)電時(shí)，保持轉(zhuǎn)速不變進(jìn)而得到恒定的輸出頻率。變速恒頻控制指當(dāng)風(fēng)速低于額定值時(shí)，跟蹤最大風(fēng)能利用系數(shù)，保持近乎恒定的葉尖速比，追求最大的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。74機(jī)械工業(yè)出版社2.光伏發(fā)電的控制技術(shù)在光伏發(fā)電控制技術(shù)中應(yīng)用最廣的是最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT控制技術(shù)，目的是實(shí)時(shí)追蹤并輸出光伏電池的最大輸出功率，常用MPPT控制算法有：恒定電壓法，擾動(dòng)觀察法，電導(dǎo)增量法，變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法，模糊邏輯控制法，最優(yōu)梯度法以及群體智能優(yōu)化算法（如粒子群尋優(yōu)算法）。光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)光伏陣列或儲(chǔ)能電池輸出直流電并入交流電網(wǎng)，故并網(wǎng)逆變器不可或缺。并網(wǎng)逆變器輸出信號(hào)的頻率和相位必須與交流電網(wǎng)相同，才不會(huì)干擾電網(wǎng)正常運(yùn)行。75機(jī)械工業(yè)出版社3.生物質(zhì)能發(fā)電的控制技術(shù)生物質(zhì)能發(fā)電控制包括沼氣發(fā)電控制、垃圾焚燒發(fā)電控制、生物質(zhì)燃料電池、生物質(zhì)直接液化制燃料油等。

目前研究熱點(diǎn)為氫燃料電池，尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池。氫燃料電池在啟用時(shí)應(yīng)及時(shí)獲得足夠多的反應(yīng)氣體，在停用時(shí)應(yīng)清掃未反應(yīng)完全的氣體和產(chǎn)生的水以免造成化學(xué)腐蝕，故其控制需要維持燃料（氫氣和空氣）供應(yīng)流的均勻性、穩(wěn)定性、熱能與水平衡。76機(jī)械工業(yè)出版社1.4.3分布式能源控制策略概要

分布式能源系統(tǒng)是指，可再生能源與化石能源通過(guò)小規(guī)模、小容量、模塊化、分散式的方式安置于需求側(cè)，在發(fā)電、供熱和制冷環(huán)節(jié)上互補(bǔ)輸出，建立在能量梯級(jí)利用基礎(chǔ)上，相對(duì)于傳統(tǒng)集中式供電的能源綜合利用系統(tǒng)。

分布式發(fā)電系統(tǒng)主要由輸入側(cè)、電力電子裝置和輸出側(cè)三部分組成。輸入側(cè)為新能源發(fā)電裝置，主要包括太陽(yáng)電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、蓄電池及其他類型的新能源發(fā)電裝置，電網(wǎng)是分布式發(fā)電系統(tǒng)的輸出側(cè)，兩者通過(guò)電力電子裝置連接，電力電子的控制系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)兩側(cè)的狀態(tài)，控制開(kāi)關(guān)管的通斷，將輸入側(cè)的電能調(diào)制變換為符合標(biāo)準(zhǔn)的電能并入電網(wǎng)。電力電子控制系統(tǒng)主要由輸入側(cè)控制、輸出側(cè)控制和開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)控制組成。分布式發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器控制技術(shù)對(duì)微網(wǎng)系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能和穩(wěn)定性至關(guān)重要。目前，逆變器的控制策略包括恒壓頻控制、恒功率控制、下垂控制和虛擬同步機(jī)控制策略。

77機(jī)械工業(yè)出版社1.恒壓頻控制策略：恒壓頻控制策略又稱為VF控制策略，該控制策略的主要作用是保證逆變器輸出電壓的幅值和頻率保持恒定，輸出電流能夠根據(jù)有功負(fù)載和無(wú)功負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)匹配，主要應(yīng)用在微網(wǎng)的孤島運(yùn)行狀態(tài)下。2.恒功率控制策略：恒功率控制策略又稱為PQ控制策略，此控制策略的主要作用是通過(guò)給定逆變器有功功率參考值和無(wú)功功率參考值向電網(wǎng)輸入給定的功率，主要應(yīng)用在逆變器的并網(wǎng)運(yùn)行模式下。3.下垂控制策略：下垂控制又稱Droop控制，此控制策略模擬了同步發(fā)電機(jī)的一次調(diào)壓調(diào)頻特性，此控制策略既可以應(yīng)用在逆變器的孤島運(yùn)行模式，又能運(yùn)行于并網(wǎng)運(yùn)行模式，在兩種模式的切換過(guò)程中，無(wú)需切換控制策略，具有即插即用的特點(diǎn)。4.虛擬同步發(fā)電機(jī)控制：借鑒傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)的調(diào)速器和勵(lì)磁控制器，從而將逆變器設(shè)計(jì)成虛擬同步機(jī)使其具備與同步發(fā)電機(jī)相類似的特性，能更好的兼容大電網(wǎng)。78機(jī)械工業(yè)出版社1.4.4儲(chǔ)能控制技術(shù)概要隨著我國(guó)能源轉(zhuǎn)型的不斷深入、可再生能源消費(fèi)占比的不斷增加，分布式發(fā)電不斷滲透入電網(wǎng)，降低著電網(wǎng)的穩(wěn)定性。靈活可靠的儲(chǔ)能打破了原電力系統(tǒng)發(fā)電、輸電、變電、配電必須實(shí)時(shí)保持平衡的局面，成為能源轉(zhuǎn)化、連接、存儲(chǔ)的關(guān)鍵。

儲(chǔ)能主要包括熱能、動(dòng)能、電能、電磁能、化學(xué)能等能量的存儲(chǔ)。儲(chǔ)能技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用主要是以儲(chǔ)存熱能、電能為主，廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能利用、電力的“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收以及工業(yè)與民用建筑和空調(diào)的節(jié)能等領(lǐng)域。工業(yè)上已應(yīng)用的電能存儲(chǔ)技術(shù)主要有三種，分別為水力儲(chǔ)能技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)。大容量?jī)?chǔ)能電站能夠提供有功服務(wù)輔助電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻，能夠提供黑啟動(dòng)功能，小容量分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠發(fā)揮調(diào)節(jié)的靈活性進(jìn)行輔助調(diào)壓，實(shí)現(xiàn)電壓越限的快速恢復(fù)控制。另外，在風(fēng)力、光伏等輸出波動(dòng)較大的發(fā)電機(jī)組處，儲(chǔ)能系統(tǒng)能平滑其功率輸出，增強(qiáng)發(fā)電的穩(wěn)定性和可靠性。79機(jī)械工業(yè)出版社1.5新能源技術(shù)的主要應(yīng)用概要

新能源技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中，除了能源轉(zhuǎn)換及發(fā)電技術(shù)為人類生產(chǎn)生活提供了重大的變化及影響外，在技術(shù)應(yīng)用上也取得了大量的成果和新形式，極大地提升了人們的生活品質(zhì)，甚至將成為一種影響世界格局與人類社會(huì)發(fā)展的新生力量。新能源技術(shù)在汽車、鐵路和船舶方面的應(yīng)用，為解決可持續(xù)交通的挑戰(zhàn)及解決能源使用的環(huán)保問(wèn)題發(fā)揮著重大的作用。新能源技術(shù)應(yīng)用的另一個(gè)方面是能源互聯(lián)網(wǎng)，以電能為核心，利用可再生能源發(fā)電技術(shù)、信息技術(shù)，融合電力網(wǎng)絡(luò)、天然氣網(wǎng)絡(luò)、供熱/冷網(wǎng)絡(luò)等多能源網(wǎng)以及電氣交通網(wǎng)形成的異質(zhì)能源互聯(lián)共享網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)可再生能源消納、提高能源使用效率，是實(shí)現(xiàn)中國(guó)“雙碳”目標(biāo)的重要途徑。包括可再生合成燃料的新能源燃料技術(shù)、新能源材料技術(shù)、新能源為主體的新型電力系統(tǒng)等方面，為中國(guó)能源結(jié)構(gòu)不斷改善，環(huán)境保護(hù)成效不斷突顯，使電力系統(tǒng)總體供需平衡、能源轉(zhuǎn)型順利平穩(wěn)過(guò)渡，并促進(jìn)全社會(huì)生產(chǎn)方式和生活方式產(chǎn)生重大轉(zhuǎn)變。80機(jī)械工業(yè)出版社新能源發(fā)電與控制技術(shù)（第4版）81機(jī)械工業(yè)出版社第2章電力變換與控制技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)82機(jī)械工業(yè)出版社

2.1電力電子器件

2.2電力電子器件的使用2.3電力變換電路基礎(chǔ)2.4新能源電力變換常用拓?fù)?.5電力變換調(diào)制技術(shù)2.6電力變換常用控制技術(shù)

本章主要內(nèi)容83機(jī)械工業(yè)出版社

2.1電力電子器件2.1.1電力電子器件概述電力電子器件被廣泛用于電力變換裝置的主電路中，是實(shí)現(xiàn)電能的傳輸、轉(zhuǎn)換或控制的電子器件。1.電力電子器件具有的主要特征①電力電子器件處理的電功率的大小是其主要的特征參數(shù)；②電力電子器件往往工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)；③在實(shí)際應(yīng)用中因此需要驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大。84機(jī)械工業(yè)出版社2.電力電子器件的分類（1）按可控性分類

1）不可控型器件：不能用控制信號(hào)控制其導(dǎo)通和關(guān)斷的電力電子器件。如，功率二極管（PowerDiode）、整流二極管等。85機(jī)械工業(yè)出版社2）半控型器件：可以通過(guò)控制極（門極）控制器件的導(dǎo)通，但不能控制其關(guān)斷的電力電子器件。晶閘管(Thyristor)及其大部分派生器件(GTO、MCT等復(fù)合器件除外)，器件的關(guān)斷一般依靠在電路中承受反向電壓或減小通態(tài)電流使其恢復(fù)阻斷。86機(jī)械工業(yè)出版社3）全控型器件：通過(guò)器件的控制極既可以控制其導(dǎo)通，又可控制其關(guān)斷的器件。主要有：功率晶體管（GTR）、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）和電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管(P-MOS)等。由于這類器件既可通過(guò)控制極控制其導(dǎo)通又可控制其關(guān)斷，故又稱為自關(guān)斷器件。87機(jī)械工業(yè)出版社

（2）按驅(qū)動(dòng)信號(hào)類型分類

根據(jù)電力電子器件控制極對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同要求，又可將電力電子器件分為電流驅(qū)動(dòng)型和電壓驅(qū)動(dòng)型兩種。1)電流驅(qū)動(dòng)型：通過(guò)對(duì)控制極注入或抽出電流，實(shí)現(xiàn)其開(kāi)通或關(guān)斷的電力電子器件，如晶閘管（Thyrister）、功率晶體管（GTR）、可關(guān)斷晶閘管（GTO）等。2)電壓驅(qū)動(dòng)型：通過(guò)對(duì)控制極和另一主電極之間施加控制電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)其導(dǎo)通或關(guān)斷的電力電子器件，如電力MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等。88機(jī)械工業(yè)出版社3.幾種典型的電力電子器件

不可控器件――電力二極管半控型器件――晶閘管電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管――P-MOSFET絕緣柵雙極型晶體管――IGBT89機(jī)械工業(yè)出版社2.1.2不可控型器件――電力二極管1.電力二極管的基本特性：電力二極管（PowerDiode）不同于信息電子中使用的普通二極管，它承受的反向電壓耐力與陽(yáng)極通流能力均比普通二極管大得多，但它的工作原理和伏安（V-A）特性與普通二極管基本相同，都具有正向?qū)щ娦院头聪蜃钄嘈浴ｋ娏ΧO管的電路符號(hào)和靜態(tài)特性（即伏安特性）如下圖所示。圖2-1電力二極管電路符號(hào)及伏安（V－A）特性90機(jī)械工業(yè)出版社2.電力二極管的主要參數(shù)正向平均電流IF(AV)：是指電力二極管在連續(xù)運(yùn)行條件下，器件在額定結(jié)溫和規(guī)定的散熱條件下，允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。反向重復(fù)峰值電壓URRM：是指對(duì)電力二極管所能重復(fù)施加的反向最高峰值電壓，通常是雪崩擊穿電壓URBO的2/3。正向通態(tài)壓降UF：是指在額定結(jié)溫下，電力二極管在導(dǎo)通狀態(tài)流過(guò)某一穩(wěn)態(tài)正向電流（IF）所對(duì)應(yīng)的正向壓降。正向壓降越低，表明其導(dǎo)通損耗越小。91機(jī)械工業(yè)出版社閾值電壓UTO：是指使二極管正向臨界導(dǎo)通的電壓值，當(dāng)二極管的A-K端電壓高于UTO使其導(dǎo)通，低于閾值就會(huì)關(guān)斷。反向恢復(fù)電流IRP及反向恢復(fù)時(shí)間trr：反向恢復(fù)時(shí)間trr通常定義為從電流下降為零至反向電流衰減至反向恢復(fù)電流峰值25％的時(shí)間。反向恢復(fù)電流IRP及恢復(fù)時(shí)間trr與正向?qū)〞r(shí)的正向電流IF及電流下降率diF/dt密切相關(guān)。92機(jī)械工業(yè)出版社3.現(xiàn)代整流二極管整流二極管分PN結(jié)型、肖特基勢(shì)壘型以及結(jié)合二者所長(zhǎng)的復(fù)合型。下面重點(diǎn)介紹(1)肖特基勢(shì)壘二極管(2)結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管(3)調(diào)制PN結(jié)肖特基二極管(4)MOS肖特基勢(shì)壘復(fù)合二極管(5)改進(jìn)的PN二極管93機(jī)械工業(yè)出版社

(1)普通肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode，SBD）SBD屬于無(wú)額外載流子參與電流輸運(yùn)的單極器件，所有跟額外載流子的注入、存儲(chǔ)、抽取和復(fù)合等相關(guān)的器件問(wèn)題，都不存在于這種器件的開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程之中，其開(kāi)關(guān)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)只受金-半接觸處空間電荷區(qū)充放電時(shí)間常數(shù)的限制，而這個(gè)時(shí)間常數(shù)大約是10-13s量級(jí)，因而在高頻應(yīng)用中極具優(yōu)勢(shì)。94機(jī)械工業(yè)出版社

(1)普通肖特基勢(shì)壘二極管（SchottkyBarrierDiode，SBD功率SBD通常用功函數(shù)較大的金屬與輕摻雜N-外延層直接接觸而成，為保持低功耗，需使用重?fù)诫s的N+襯底。N-外延層是該器件的漂移區(qū)，其長(zhǎng)度和電阻率既決定著SBD通態(tài)比電阻的大小，也決定著SBD的反向阻斷特性。其正向壓降低、工作頻率高的優(yōu)勢(shì)只存在于低壓器件中。

不過(guò)，即便是低壓SBD，由于正向?qū)〞r(shí)缺乏額外載流子的電導(dǎo)調(diào)制，電流密度增高時(shí)，其正向壓降會(huì)迅速升高，如圖2-2所示。圖中兩條實(shí)線所代表的功率SBD和PIN二極管具有相同擊穿電壓。95機(jī)械工業(yè)出版社(2)結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管（JBS）JBS是一種利用反偏PN結(jié)的空間電荷區(qū)為SBD承受較高反向偏壓，從而可使其適當(dāng)降低肖特基勢(shì)壘以保持較低正向壓降的復(fù)合結(jié)構(gòu)型器件，其結(jié)構(gòu)剖面如圖2-3所示。圖2-3JBS結(jié)構(gòu)剖面圖96機(jī)械工業(yè)出版社(2)結(jié)勢(shì)壘肖特基二極管（JBS）

該復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)保證了相鄰PN結(jié)的空間電荷區(qū)在反偏壓下能夠很快接通，從而在陰極和陽(yáng)極之間形成比肖特基勢(shì)壘更高更寬的PN結(jié)勢(shì)壘。圖2-3JBS結(jié)構(gòu)剖面圖

這樣，當(dāng)SBD正向偏置時(shí)，PN結(jié)也進(jìn)入正偏狀態(tài)，但SBD的閾值電壓比PN結(jié)低，正向電流將通過(guò)肖特基勢(shì)壘接觸走PN結(jié)之間的SBD通道，因而正向壓降較低，尤其是在有意識(shí)地削減了肖特基勢(shì)壘高度之后。當(dāng)SBD反向偏置時(shí)，PN結(jié)也進(jìn)入反偏狀態(tài)，其空間電荷區(qū)的橫向擴(kuò)展迅速將陰、陽(yáng)極間的電流通道夾斷。如果反向電壓繼續(xù)升高，所加電壓都將降落在空間電荷區(qū)上，并使其在N-漂移區(qū)中向N+襯底擴(kuò)展。因此，PN結(jié)空間電荷區(qū)屏蔽了外加反向電壓對(duì)肖特基勢(shì)壘的影響，即使是為了降低正向壓降而有意識(shí)地削減肖特基勢(shì)壘，其反向漏電流也不會(huì)明顯升高，而會(huì)像PN結(jié)二極管那樣在雪崩擊穿之前基本保持不變。JBS的反向阻斷電壓較低，適用于低壓整流。97機(jī)械工業(yè)出版社(3)調(diào)制PN結(jié)肖特基二極管（MPS）圖2-3JBS結(jié)構(gòu)剖面圖MPS的結(jié)構(gòu)類似于圖2-3所示的JBS復(fù)合結(jié)構(gòu)，但其設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)方法都與JBS不同。MPS的創(chuàng)意在于引進(jìn)PN結(jié)的電導(dǎo)調(diào)制作用降低SBD在高密度正向電流下的壓降。這主要是針對(duì)耐壓較高的SBD，因?yàn)楦吣蛪篠BD的漂移區(qū)較寬，且電阻率較高，以至電流稍一增大其壓降就會(huì)升高很多。另一方面，MPS創(chuàng)意也只能針對(duì)高耐壓SBD，因?yàn)橹挥须娮杪瘦^高的漂移區(qū)才能在電流密度較高時(shí)使PN結(jié)上的電壓超過(guò)其閾值電壓，PN結(jié)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)后才能向高阻漂移區(qū)注入額外空穴，產(chǎn)生電導(dǎo)調(diào)制。因此，MPS正向?qū)〞r(shí)，其低電流密度下的伏安特性仍保持SBD的低壓降特征，而高電流密度下則具有類似于PIN結(jié)的伏安特性，其正向壓降在電流密度升高時(shí)增量不大，如圖2-2中的虛線所示。98機(jī)械工業(yè)出版社(4)MOS-肖特基勢(shì)壘復(fù)合二極管將MOS結(jié)構(gòu)結(jié)合到SBD之中，利用MOS結(jié)構(gòu)在適當(dāng)偏壓下的載流子耗盡作用，也可像JBS那樣在肖特基勢(shì)壘區(qū)之下再形成一個(gè)空間電荷區(qū)，使低勢(shì)壘SBD的反向漏電流大幅度極低。這種器件名叫TMBS（TrenchMOS-BarrierSBD），其結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。圖2-4TMBS結(jié)構(gòu)示意圖99機(jī)械工業(yè)出版社(4)MOS-肖特基勢(shì)壘復(fù)合二極管（TMBS）TMBS是一種在表面層中用干法腐蝕工藝制作有溝槽網(wǎng)格的SBD，在其溝槽側(cè)壁與底部表面都生長(zhǎng)有氧化層。槽內(nèi)淀積金屬為柵（G），并與形成肖特基勢(shì)壘接觸的陽(yáng)極（A）短接。當(dāng)TMBS反向偏置時(shí)，柵壓為負(fù)，MOS結(jié)構(gòu)進(jìn)入耗盡狀態(tài)，產(chǎn)生空間電荷區(qū)。當(dāng)兩個(gè)相鄰MOS結(jié)構(gòu)的空間電荷區(qū)隨著偏壓的升高而擴(kuò)展相連時(shí)，即像JBS一樣形成比肖特基勢(shì)壘更高更寬的勢(shì)壘，幫助肖特基勢(shì)壘阻擋從陽(yáng)極發(fā)射向半導(dǎo)體的電子。由于這些電子的發(fā)射產(chǎn)生TMBS的反向漏電流，因而其漏電流很小，即使為了降低正向壓降而有意識(shí)地降低了肖特基勢(shì)壘，其漏電流也不會(huì)隨著反向電壓的升高而明顯增大，直至雪崩擊穿。圖2-4TMBS結(jié)構(gòu)示意圖100機(jī)械工業(yè)出版社(5)改進(jìn)的PIN二極管圖2-5SSD結(jié)構(gòu)示意圖不借助于其他器件元素，也不必縮短額外載流子壽命（這會(huì)影響其他特性），功率PIN二極管的反向恢復(fù)特性可以通過(guò)PN結(jié)自身的結(jié)構(gòu)變化得到明顯改善。這就是圖2-5所示的SSD（StaticScreenedDiode）。這種結(jié)構(gòu)與常規(guī)PIN二極管的不同之處僅在于其P層不具有均勻的厚度和雜質(zhì)濃度，而是在較低濃度的淺結(jié)P型薄層中鑲嵌了均勻分布的高濃度深結(jié)P+微區(qū)。由于PIN結(jié)的額外空穴注入比跟P層的摻雜濃度有關(guān)，因而SSD相當(dāng)于兩種注入比不同的微型PIN二極管的鑲嵌并聯(lián)。這樣，由注入比高的P+N結(jié)注入漂移區(qū)的高濃度空穴也會(huì)像MPS中的注入空穴那樣向四周迅速擴(kuò)散，使額外載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)減弱。101機(jī)械工業(yè)出版社2.1.3半控型器件――晶閘管圖2-6晶閘管電路符號(hào)及伏安（V－A）特性優(yōu)點(diǎn)：承受的電壓、電流在功率半導(dǎo)體器件家族中均為最高，具有相對(duì)價(jià)格便宜、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，盡管其開(kāi)關(guān)頻率較低、觸發(fā)較困難、不可控制關(guān)斷等缺點(diǎn)，但在大功率、中低頻電力電子裝置中仍占據(jù)主導(dǎo)地位。102機(jī)械工業(yè)出版社1.基本特性：電流觸發(fā)特性：當(dāng)晶閘管A－K極間承受正向電壓時(shí)，如果G－K極間流過(guò)正向觸發(fā)電流，就會(huì)使晶閘管導(dǎo)通。單向?qū)щ娞匦裕寒?dāng)承受反向電壓時(shí)，此時(shí)無(wú)論門極有無(wú)觸發(fā)電流，晶閘管都不會(huì)導(dǎo)通。半控型特性：晶閘管一旦導(dǎo)通，門極就失去作用；此時(shí)，不論門極電流是否存在、觸發(fā)電流極性如何，晶閘管都維持導(dǎo)通。要使導(dǎo)通的晶閘管恢復(fù)關(guān)斷，可對(duì)其A－K極間施加反向電壓或使其流過(guò)的電流小于維持電流（IH）。103機(jī)械工業(yè)出版社2.主要參數(shù)額定電壓UT：晶閘管在額定結(jié)溫、門極開(kāi)路時(shí)，允許重復(fù)施加的正、反向阻斷狀態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM和URRM中較小的一個(gè)電壓值稱為晶閘管的額定電壓。正、反向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM、URRM：晶閘管門極開(kāi)路(Ig=0)、器件在額定結(jié)溫時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正、反向峰值電壓。一般分別取正、反向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓（UDSM、URSM）的90%。正向斷態(tài)不重復(fù)峰值電壓應(yīng)小于轉(zhuǎn)折電壓（Ubo）。104機(jī)械工業(yè)出版社通態(tài)平均電流IT(AV)：在環(huán)境溫度為40℃和規(guī)定的散熱條件下、穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定結(jié)溫時(shí)，晶閘管允許流過(guò)的最大工頻正弦半波電流的平均值。這也是額定電流的參數(shù)。維持電流IH：維持晶閘管導(dǎo)通所必需的最小電流，一般為幾十到幾百mA。轉(zhuǎn)折電壓Ubo：指晶閘管門極開(kāi)路(Ig=0)時(shí)、維持其阻斷所能承受的最大正向電壓，當(dāng)大于Ubo晶閘管被擊穿導(dǎo)通，處于失控狀態(tài)。105機(jī)械工業(yè)出版社2.1.4全控型器件——功率MOS

功率MOS指電流路徑垂直于芯片表面的MOSFET，其源、漏電極分處芯片兩面而柵、源共面，讓漏極獨(dú)占全部下表面（襯底背面），因而其導(dǎo)電溝道短、截面積大，具有較高的通流能力和耐壓能力。同時(shí)，作為一種場(chǎng)控型單極型開(kāi)關(guān)器件，它還具有工作頻率高、驅(qū)動(dòng)功率小、無(wú)熱電二次擊穿以及跨導(dǎo)線性度高等令雙極型功率器件難以相比的優(yōu)點(diǎn)，因而在電力電子技術(shù)中的地位上升很快，應(yīng)用很廣。特別是由于它的驅(qū)動(dòng)功率低、制造工藝又與微電子工藝兼容，因而不但以分立器件的形式應(yīng)用于各種電子裝置，也作為主要功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用于各種功率集成電路。106機(jī)械工業(yè)出版社1.功率MOS的基本結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-7通態(tài)功率MOS的等效電阻示意圖由圖2-7可見(jiàn)，雖然源、漏極間有兩個(gè)PN結(jié)，但是由N+源區(qū)與P阱形成的第一個(gè)PN結(jié)（PN+結(jié)）已被源電極永久短接，源、漏兩電極間只在P阱與N-漂移區(qū)間的第二個(gè)PN結(jié)（PN-結(jié)）被反向偏置、且導(dǎo)電溝道尚未形成之前才會(huì)處于關(guān)斷狀態(tài)。所以，源負(fù)漏正，是作為開(kāi)關(guān)器件使用的N溝功率MOS的正常接法，此時(shí)的漏-源電壓UDS>0。107機(jī)械工業(yè)出版社1.功率MOS的基本結(jié)構(gòu)與工作原理圖2-7通態(tài)功率MOS的等效電阻示意圖不過(guò)，正的UDS對(duì)PN-結(jié)卻是一個(gè)反向偏置電壓，在柵-源短接時(shí)必將引起結(jié)兩側(cè)空間電荷區(qū)的擴(kuò)展。由于P阱的摻雜濃度遠(yuǎn)高于漂移區(qū)的摻雜濃度，空間電荷區(qū)主要在漂移區(qū)擴(kuò)展，是UDS的主要降落區(qū)。因此，漂移區(qū)的寬度及其摻雜濃度要符合阻斷電壓的需要，以保證器件在導(dǎo)電溝道形成之前一直處于關(guān)斷狀態(tài)。然而導(dǎo)電溝道一旦形成，漏極正電壓即驅(qū)動(dòng)電子繞開(kāi)PN-結(jié)，從源區(qū)經(jīng)過(guò)溝道和漂移區(qū)向漏極運(yùn)動(dòng)，形成電流。電流的大小取決于UDS以及溝道的開(kāi)通程度，而后者是柵壓UG的函數(shù)，因而柵極不但控制功率MOS的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也控制確定UDS下漏極電流ID的大小。108機(jī)械工業(yè)出版社2.功率MOS的基本特性圖2-8功率MOS與功率BJT輸出特性的比較109機(jī)械工業(yè)出版社3.功率MOS的主要參數(shù)漏極電壓UDS：電力MOSFET的電壓定額參數(shù)，為漏源極間的最大反向承受電壓。漏極直流電流額定值ID和漏極脈沖電流峰值IDM：電力MOSFET的電流定額參數(shù)。漏源通態(tài)電阻RDS(on)：在柵源間施加一定電壓（10～15V），漏源間的導(dǎo)通電阻。柵源電壓UGS：柵源之間的絕緣層很薄，當(dāng)|UGS|>20V時(shí)將導(dǎo)致絕緣層擊穿。110機(jī)械工業(yè)出版社3.功率MOS的主要參數(shù)極間電容：MOSFET的3個(gè)電極之間分別存在極間電容CGS、CGD、CDS。一般生產(chǎn)廠商提供的是漏源極短路時(shí)的輸入電容Ciss、共源極輸出電容Coss和反向轉(zhuǎn)移電容Crss。

Ciss=CGS+CGD（2-1）

Crss=CGD（2-2）

Coss=CDS+CGD（2-3）111機(jī)械工業(yè)出版社2.1.5全控型器件——絕緣柵雙極晶體管（IGBT）

功率MOS具有驅(qū)動(dòng)方便、開(kāi)關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但導(dǎo)通后呈現(xiàn)電阻性質(zhì)，在電流較大時(shí)管壓降較高，而且器件的功率容量較小，一般僅適用于小功率裝置。大功率晶體管（GTR，GiantTransistor）的飽和壓降低、容量大、但屬于電流驅(qū)動(dòng)型，需要較大的驅(qū)動(dòng)功率。此外，GTR器件又是雙極型器件，導(dǎo)致其開(kāi)關(guān)速度降低。而絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是MOSFET和GTR的復(fù)合器件，因此IGBT兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。112機(jī)械工業(yè)出版社2.1.5全控型器件——絕緣柵雙極晶體管（IGBT）1.IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理IGBT比DMOS多了一個(gè)P+層，從而多了一個(gè)大面積的PN結(jié)。仔細(xì)觀察IGBT的器件單元，不難發(fā)現(xiàn)這個(gè)P+層的加入，使DMOS中的反并聯(lián)集成二極管變成了PNP型雙極型晶體管，寄生NPN型晶體管變成了寄生晶閘管。DMOS的N-漂移區(qū)即寄生晶閘管的N基區(qū)（長(zhǎng)基區(qū)），P阱擴(kuò)散區(qū)即寄生品閘管的P基區(qū)（短基區(qū)）。這樣，DMOS的源極和柵極分別原封不動(dòng)地變成了IGBT的發(fā)射極E和柵極G，而DMOS的N+襯底換成P+襯底后，相應(yīng)的電極即成為IGBT的集電極C。113機(jī)械工業(yè)出版社1.IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖2-9N溝道IGBT結(jié)構(gòu)示意圖參照?qǐng)D2-9可知，當(dāng)IGBT的集電極相對(duì)于發(fā)射極加負(fù)電壓，即集射極電壓UCE<0時(shí)，靠近集電極的P+N-結(jié)（j1結(jié)）將處于反偏狀態(tài)，因而不管DMOS的溝道體區(qū)中有沒(méi)有形成N型導(dǎo)電溝道，電流都不能在集-射極間通過(guò)。由此可見(jiàn)，IGBT由于比DMOS多了一個(gè)j1結(jié)而首先獲得了反向電壓阻斷能力，反向阻斷電壓的高低決定于j1結(jié)的雪崩擊穿電壓。114機(jī)械工業(yè)出版社1.IGBT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理當(dāng)IGBT的柵極與發(fā)射極短接（柵壓UG=0）時(shí)，若對(duì)集電極相對(duì)于發(fā)射極加正電壓，則靠近發(fā)射極的P+N-結(jié)（j2結(jié)）就被此電壓反偏置，IGBT處于正向阻斷狀態(tài)，其阻斷電壓主要由j2結(jié)的雪崩擊穿電壓決定。由于j1結(jié)和j2結(jié)被反偏置時(shí)的空間電荷區(qū)都主要在N-漂移區(qū)展開(kāi)，因而其正、反向最高阻斷電壓近似相等，稱為集電極-發(fā)射極擊穿電壓，記為BUCEO，如圖2-10曲線①所示。圖2-10IGBT在不同柵壓狀態(tài)下的伏安特性曲線115機(jī)械工業(yè)出版社2.IGBT的工作特性圖2-11分析IGBT通態(tài)特性的等效電路a)PIN/MOS等效電路b)BJT/MOS等效電路

圖2-11a所示等效電路將IGBT看成是由一個(gè)PIN二極管和一個(gè)MOS晶體管串聯(lián)而成的復(fù)合器件，圖2-11b則將其視為一個(gè)用MOS管驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)基區(qū)PNP型晶體管。雖然后一種模型比前一種模型對(duì)IGBT的特性描述更完整，但從使用器件的角度考慮，前一種模型較為簡(jiǎn)單，且足以用來(lái)對(duì)多種情況下的IGBT靜態(tài)特性進(jìn)行定量分析。116機(jī)械工業(yè)出版社3.IGBT的主要參數(shù)最大集射極間電壓BUCES：該參數(shù)決定了器件的最高工作電壓，這是由內(nèi)部PNP晶體管所能承受的擊穿電壓確定的。最大集電極電流ICM：包括在一定殼溫下的額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流ICP。最大集電極功耗PCM：在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。集射極間飽和壓降UCE(sat)：對(duì)柵極與發(fā)射極（G－E）間施加一定正向電壓，在一定的結(jié)溫及集電極電流條件下，集射極（C－E）間的飽和通態(tài)壓降。此壓降在集電極電流較小時(shí)，呈負(fù)溫度系數(shù)，在電流較大時(shí)，為正溫度系數(shù)，這一特性使IGBT并聯(lián)運(yùn)行較為容易。117機(jī)械工業(yè)出版社2.1.6新型器件——寬禁帶半導(dǎo)體

從晶閘管問(wèn)世到IGBT普遍應(yīng)用，電力電子器件近40年的長(zhǎng)足發(fā)展，基本上都是器件原理和結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和創(chuàng)新，無(wú)論是功率MOS還是IGBT，它們跟晶閘管和整流二極管一樣都是硅器件。但是，隨著硅材料和硅工藝的日趨完善，各種硅器件的性能逐漸趨近其理論極限，而電力電子技術(shù)的發(fā)展卻不斷對(duì)器件的性能提出更高的要求，尤其希望器件的功率和頻率能夠得到更高程度的兼顧。因此，硅是不是最適合于制造電力電子器件的材料，具備怎樣一些特性的半導(dǎo)體材料更適合于制造電力電子器件的問(wèn)題，就在20世紀(jì)的最后10年提到了議事日程上來(lái)。118機(jī)械工業(yè)出版社1.碳化硅電力電子器件

碳化硅是最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化電力電子器件應(yīng)用的寬禁帶半導(dǎo)體。使用碳化硅制造電力電子器件，有可能將半導(dǎo)體器件的極限工作溫度提高到600℃以上，并在額定阻斷電壓相同的前提下，大幅度降低通態(tài)電阻，提高工作頻率。因此，包含微波電源在內(nèi)的電力電子技術(shù)有可能從碳化硅器件實(shí)用化得到的好處，就不僅是整機(jī)性能的改善，也有整機(jī)體積的大幅度縮小以及對(duì)工作環(huán)境的廣泛適應(yīng)能力。119機(jī)械工業(yè)出版社1.碳化硅電力電子器件圖2-12碳化硅IGBT與碳化硅功率MOS在耐壓20000V條件下的特性比較

由圖2-12中的等功耗曲線與這幾種器件的導(dǎo)通特性曲線的交點(diǎn)不難算出：對(duì)應(yīng)于相同的功耗300W/cm2，室溫下P溝道和N溝道IGBT的導(dǎo)通電流分別是功率MOS的約1.5倍和1.8倍，而在高溫225℃的工作條件下更是分別提高到約2.7倍和3.5倍。

圖2-12所示為碳化硅IGBT與碳化硅功率MOS在額定阻斷電壓均設(shè)計(jì)為20000V時(shí)的理論伏-安特性之比較，表現(xiàn)了IGBT十分明顯的高壓優(yōu)勢(shì)。120機(jī)械工業(yè)出版社2.其他寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件受材料制備與加工技術(shù)的限制，目前已成功進(jìn)入電力電子器件研發(fā)領(lǐng)域的寬禁帶半導(dǎo)體，除碳化硅外，主要是氮化鎵和以氮化鎵為基的三元系合金（III-N合金），例如鋁鎵氮（AlxGa1-xN）等。對(duì)制造電力電子器件而言，氮化鎵的突出優(yōu)點(diǎn)，在于它結(jié)合了碳化硅的高擊穿電場(chǎng)特性和砷化鎵、鍺硅合金和磷化銦等材料在制造高頻器件方面的特征優(yōu)勢(shì)，其材料優(yōu)選因子普遍比碳化硅高，對(duì)進(jìn)一步改善電力電子器件的工作性能，特別是提高工作頻率，具有很大的潛力和應(yīng)用前景。121機(jī)械工業(yè)出版社2.2

電力電子器件的使用

在電力電子裝置中，直接承擔(dān)電能變換或控制任務(wù)的電路稱為主電路。電力電子器件的正常使用是主電路長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。電力電子器件開(kāi)關(guān)運(yùn)行需要驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路是主電路與控制電路之間的接口，其作用是將控制電路的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電力電子器件的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，控制電力電子器件的工作。另外，所有電力電子器件都存在電壓極限、電流極限和結(jié)溫極限，應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施防止電力電子器件在工作過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)高的電壓、過(guò)大的電流和過(guò)高的結(jié)溫。122機(jī)械工業(yè)出版社2.2.1

電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的基本任務(wù)是，按控制目標(biāo)的要求施加開(kāi)通或關(guān)斷的信號(hào)。對(duì)半控型器件只需提供開(kāi)通控制信號(hào)；對(duì)全控型器件則既要提供開(kāi)通控制信號(hào)，又要提供關(guān)斷控制信號(hào)。除此之外，為了提高電力電子裝置的安全使用，同時(shí)防止主電路和控制電路之間的干擾，驅(qū)動(dòng)電路一般還要提供控制電路與主電路之間的電氣隔離環(huán)節(jié)，其基本方法有光隔離或磁隔離。123機(jī)械工業(yè)出版社2.2.1電力電子器件的驅(qū)動(dòng)電路1.晶閘管觸發(fā)電路圖2-13a)光電隔離驅(qū)動(dòng)電路

基于光電隔離和晶體管放大器的驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，當(dāng)輸入為高電平時(shí)，光電耦合器VTL一次側(cè)發(fā)光二極管通過(guò)電流，光耦二次側(cè)光敏三極管導(dǎo)通，三極管VT1截止，SCR門極無(wú)驅(qū)動(dòng)電流；當(dāng)輸入為低電平時(shí)，光耦二次側(cè)光敏三極管截止，三極管VT1導(dǎo)通，VT1構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)SCR。124機(jī)械工業(yè)出版社圖2-13b)磁耦合隔離驅(qū)動(dòng)電路

基于脈沖變壓器和晶體管放大器的驅(qū)動(dòng)電路如圖所示，VT2、VT3構(gòu)成脈沖放大環(huán)節(jié)，脈沖變壓器TR和附屬電路構(gòu)成脈沖輸出環(huán)節(jié)。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的高電平驅(qū)動(dòng)信號(hào)加至晶體管放大器后，VT2、VT3導(dǎo)通，通過(guò)脈沖變壓器輸出電壓經(jīng)VD2輸出脈沖電流，向晶閘管的門極和陰極之間輸出觸發(fā)脈沖。當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，VT2、VT3截止，VD1、R3續(xù)流，TR脈沖變壓器內(nèi)部激磁電流迅速降為零，防止變壓器磁飽和。125機(jī)械工業(yè)出版社圖2-14原理圖

同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路由于受電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響較小，所以廣泛應(yīng)用于整流和逆變電路。圖2-14所示為一個(gè)同步信號(hào)為鋸齒波的觸發(fā)電路的原理圖。該電路可分為：脈沖形成與放大隔離、鋸齒波形成及脈沖移相控制、同步信號(hào)處理3個(gè)基本環(huán)節(jié)，以及雙脈沖形成和強(qiáng)觸發(fā)電路等環(huán)節(jié)。126機(jī)械工業(yè)出版社2.可關(guān)斷晶閘管的門極驅(qū)動(dòng)電路圖2-15理想的門極驅(qū)動(dòng)電流波形

由GTO結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使得其對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求嚴(yán)格，若門極控制不當(dāng)，GTO就極易損壞。GTO門極驅(qū)動(dòng)電路包括門極開(kāi)通電路、門極關(guān)斷電路和門極反偏電路。理想的門極驅(qū)動(dòng)電流波形如圖2-15所示，GTO的門極開(kāi)通電流波形應(yīng)與SCR門極開(kāi)通電流波形相同，GTO開(kāi)通后若無(wú)輸出門極驅(qū)動(dòng)電流，當(dāng)存在門極反偏電路時(shí)，則可能使GTO誤關(guān)斷，故GTO開(kāi)通后，若要保持開(kāi)通狀態(tài)，應(yīng)持續(xù)保持一定的驅(qū)動(dòng)電流。對(duì)GTO而言，門極控制的關(guān)鍵是關(guān)斷。127機(jī)械工業(yè)出版社圖2-16a)應(yīng)用MOSFET的GTO門極驅(qū)動(dòng)電路

GTO門極供電有3種方式：?jiǎn)坞娫垂╇姺绞健⒍嚯娫垂╇姺绞健⒚}沖變壓器供電方式。供電方式不同，GTO的可關(guān)斷陽(yáng)極電流和工作頻率也不同。

圖2-16a)中，當(dāng)VT1導(dǎo)通而VT2、VT3斷開(kāi)時(shí)，輸出正強(qiáng)脈沖；當(dāng)VT2導(dǎo)通而VT1、VT3斷開(kāi)時(shí)，輸出脈沖平頂；當(dāng)VT1、VT2斷而VT3導(dǎo)通時(shí)，輸出負(fù)電壓，產(chǎn)生反向門極電流；當(dāng)VT3關(guān)斷后，R3和R4提供負(fù)偏壓。128機(jī)械工業(yè)出版社圖2-16b)應(yīng)用晶體管與晶閘管的GTO門極驅(qū)動(dòng)電路

圖2-16b)中，VT導(dǎo)通KK斷開(kāi)時(shí)輸出脈沖，GTO導(dǎo)通；VT斷開(kāi)，KK導(dǎo)通，產(chǎn)生負(fù)電壓與門極反向電流，并使門極保持一定的負(fù)電壓，直到門極反向電流幾乎為零。129機(jī)械工業(yè)出版社3.大功率晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電路圖2-18實(shí)用GTR驅(qū)動(dòng)電路下面介紹一種實(shí)用的GTR驅(qū)動(dòng)電路，如圖2-18所示當(dāng)輸入信號(hào)ui為正偏電壓時(shí)，晶體管VT1與VT2導(dǎo)通，VT2集電極輸出正偏電壓，GTR有幅值為IB的基極電流通過(guò)，使GTR開(kāi)通。當(dāng)輸入信號(hào)ui變?yōu)榱汶妷簳r(shí)，晶體管VT1與VT2截止，R5與負(fù)電源相連，VT3與VT4輸出負(fù)偏電壓，GTR關(guān)斷。130機(jī)械工業(yè)出版社4.電力MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電路圖2-19MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

圖2-19所示為通過(guò)光電耦合器隔離的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)輸入信號(hào)ui為0時(shí)，光電耦合器截止，高速比較器A輸出低電平，三極管VT3導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路約輸-VC驅(qū)動(dòng)電壓，使電力場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷。當(dāng)輸入信號(hào)ui為正時(shí)，光耦導(dǎo)通，比較器A輸出高電平，三極管VT2導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)電路約輸出+VC電壓，使電力場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。該電路也可應(yīng)用于IGBT的驅(qū)動(dòng)，只需要將圖中的MOSFET替換成IGBT即可。131機(jī)械工業(yè)出版社5.IBGT的門極驅(qū)動(dòng)電路IGBT的輸入特性幾乎和電力MOSFET相同，所以用于MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路原則上適用于IGBT。但是IGBT柵極驅(qū)動(dòng)電路必須提供正、負(fù)偏置，由雙電源供電，其中負(fù)電壓-5~15V，同時(shí)進(jìn)行必要的隔離。132機(jī)械工業(yè)出版社2.2.2

電力電子器件的保護(hù)1.過(guò)電壓的產(chǎn)生及過(guò)電壓保護(hù)

晶閘管（或其他電力電子器件）在正常工作時(shí)，所承受的最大峰值電壓Um與電源電壓、電路接線形式有關(guān)，它是選擇晶閘管額定電壓的依據(jù)。在工作中，由于各種原因可能出現(xiàn)晶閘管所承受的電壓超過(guò)Um短時(shí)過(guò)電壓的情況。如果正向過(guò)電壓超過(guò)了正向轉(zhuǎn)折電壓，將產(chǎn)生誤導(dǎo)通；如果反向過(guò)電壓超過(guò)其反向重復(fù)峰值電壓URRM,則晶閘管被擊穿，造成永久性損壞。為使晶閘管器件能正常工作，必須采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施。引起過(guò)電壓的原因：（1）操作過(guò)電壓（2）浪涌過(guò)電壓（3）換相過(guò)電壓（4）關(guān)斷過(guò)電壓133機(jī)械工業(yè)出版社

操作過(guò)電壓與浪涌過(guò)電壓是由裝置外部因素引起的，屬于外因過(guò)電壓。換相過(guò)電壓與關(guān)斷過(guò)電壓是由電力電子裝置內(nèi)部器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程等內(nèi)部因素引起的，屬于內(nèi)因過(guò)電壓。

過(guò)電壓保護(hù)措施：圖2-20晶閘管裝置的過(guò)電壓保護(hù)措施134機(jī)械工業(yè)出版社保護(hù)電路形式常用的幾種方式：①雷擊過(guò)電壓可在變壓器初級(jí)加接避雷器加以保護(hù)。②一次、二次電壓比很大的變壓器，由于一次、二次繞組間存在分布電容，一次側(cè)合閘時(shí)，高電壓可能通過(guò)分布電容耦合到二次側(cè)而出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)電壓。對(duì)此可采取變壓器附加屏蔽層接地或變壓器星形點(diǎn)通過(guò)電容接地的方法來(lái)處理。③阻容保護(hù)電路是變流裝置中用得最多的過(guò)壓保護(hù)措施。④對(duì)于雷擊或更高的浪涌電壓，如果阻容保護(hù)還不能吸收或抑制時(shí)，還應(yīng)采用壓敏電阻或硒堆等非線性電阻進(jìn)行保護(hù)。135機(jī)械工業(yè)出版社a)單相過(guò)電壓控制圖2-21阻容保護(hù)電路的接法b)三相星型過(guò)電壓控制c)三相三角形過(guò)電壓控制d)三相反向阻斷式過(guò)電壓控制e)直流側(cè)過(guò)電壓控制RC阻容保護(hù)電路接法：136機(jī)械工業(yè)出版社a)單相連接圖2-22壓敏電阻保護(hù)的連接方法b)三相Y型連接c)三相?連接

由于壓敏電阻的正、反向特性對(duì)稱，因此單相電路只需1個(gè)，三相電路用3個(gè)，連接成Y型或?型，如圖所示。137機(jī)械工業(yè)出版社2.過(guò)電流的產(chǎn)生及過(guò)電流保護(hù)

當(dāng)晶閘管變流裝置內(nèi)部某一器件擊穿或短路、觸發(fā)電路或控制電路發(fā)生故障、外部出現(xiàn)過(guò)載重載、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆變失敗，以及交流電源電壓過(guò)高、過(guò)低或缺相等狀況時(shí)，均可引起裝置其他器件的電流超過(guò)正常工作電流，即出現(xiàn)過(guò)電流。由于晶閘管等電力電子器件的電流過(guò)載能力比一般電氣設(shè)備差得多，因此，必須對(duì)變流裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪^(guò)電流保護(hù)。138機(jī)械工業(yè)出版社圖2-23過(guò)電流保護(hù)

圖2-23所示為交流輸入通過(guò)整流主電路轉(zhuǎn)換為直流輸出給負(fù)載的電路，其中交流進(jìn)線電抗器L或整流變壓器的漏抗，可以限制短路電流，降低電流的上升速度，但正常工作時(shí)有較大交流壓降。圖中，B為電流檢測(cè)，F(xiàn)UF為快速熔斷器，KOC為過(guò)流繼電器，SDCF為直流快速開(kāi)關(guān)。圖2-23采用的幾種過(guò)電流保護(hù)措施分別是過(guò)流保護(hù)電子電路、交流側(cè)過(guò)流繼電器保護(hù)、直流快速斷路器保護(hù)、快速熔斷器保護(hù)。139機(jī)械工業(yè)出版社

電力電子器件通以電流和在開(kāi)關(guān)過(guò)程中，要消耗大量的功率，這部分耗散功率轉(zhuǎn)變成熱量使管芯發(fā)熱、結(jié)溫升高，需要通過(guò)周圍環(huán)境散熱。